5   Technische Physik und Mechatronik in der Lehre

Seit Ende des Jahres 2006 sind wir im Physikgebäude auf der ersten Etage beheimatet. Obwohl wir dem alten Domizil aus Kaiser’s Zeiten mit den dicken Mauern und dem schönen Innenhof in der Jebens­straße einige Zeit nachtrauerten, erwies sich der neue Standort auf dem Stammgelände der TU doch als Glücksfall.

Das neue Physikgebäude an der Hardenbergstraße in Charlottenburg
ist seit Oktober 2006 Sitz des FMT

Wir erhiel­ten für unsere Mitarbeiter mehr Büroräume, können einen ausreichend großen Hör­saal nutzen, in dem wir alle unsere prakti­schen Übungen veranstalten und haben nun endlich unsere feinmechanische Werkstatt im Mittel­punkt des Gesche­hens, so dass sie eine zentrale Anlauf­stelle für alle Mitarbeiter darstellt und damit eine erheblich effekti­vere Zusammenarbeit und bessere praktische Ausbildung der Studierenden ermöglicht. Dabei ist die frühe Dis­kus­sion mit den Mitarbeitern unserer Werkstatt bei der Erarbeitung konstruktiver Lösun­gen von großer Bedeutung, in­dem die gelegentlich unrealistischen Vorstellungen der Studierenden zur Fer­tigung der Einzeltei­le sowie zum Werkstoff in die richtigen Bahnen gelenkt werden. Aufgrund der zunehmend mechatronischen Ausrichtung bei der Produktentwicklung gewinnt auch die Abstim­mung der mechani­schen, elektronischen und optischen Funktionen bei der Optimierung des Ge­samt­produkts ein große Rolle, so dass die Einbindung der Studierenden in den Entwicklungsprozess für deren spätere Tätigkeit in der Industrie eine wichtige Vorübung darstellt.

Die neuen Bachelor- und Masterstudiengänge

In der Lehre ergaben sich für meine Assistenten und mich große Umwälzungen, da im Rahmen des Bologna-Prozesses ein einheitliches europäisches Ausbildungssystem geplant wurde, das zur Abschaffung unseres 100-jährigen und höchst erfolgreichen Abschlusses „Diplomingenieur“ führte und dahingegen die Abschlüsse „Bachelor“ und „Master“ vorsah. Obwohl sich die Hochschullehrer der ingenieurwissenschaftlichen Fächer an der TU Berlin lange gegen diese Umstellung wehrten, kamen wir nicht umhin, ab 2005 regelmäßige Treffen anzusetzen, um dabei die Lehrinhalte für die Bachelor- und Masterstudiengänge mit Blick auf die Synergien der einzelnen Fächer der Fakultät V festzulegen. Alle beteiligten Hochschullehrer mussten daher ihr Lehrangebot abändern, da die Diplomstudiengänge bis zum Herbst 2012 weiter geführt werden sollten, gleichzeitig aber auch die Bachelor- und Masterstudiengänge starteten. Allerdings bestand nun endlich die Chance, das Lehrangebot zu ergänzen, indem ich eine von den Arbeitgebern der Industrie monierte Ausbildungslücke ausfüllte und für Studierende der Bachelorstudiengänge der Fakultät V die Veranstaltung „Messtechnik und Sensorik“ anbot. Tatsächlich stellte es sich heraus, dass noch ein weiter führender Bedarf an Lehrveranstaltungen mit modernen Inhalten bestand, wobei vor allem die Vermittlung praktischer Kenntnisse gefragt war. Für unsere Bachelors bieten wir daher das Aktorik-Projekt / Bachelor und für die Master das Projekt Aktorik und Sensorik an. Seit einigen Jahren wird dieses Lehrangebot durch unser Mastermodul „Elemente der Mechatronik“ komplettiert.

Lehrveranstaltung Messtechnik und Sensorik

Vor dem Hintergrund, dass im modernen Maschinenbau verstärkt mechatronische Inhalte gefordert werden und daher eine tiefer gehende elektrotechnische / elektronische Ausbildung notwendig ist, begannen wir mit der Ausarbeitung von Lehrinhalten, um den Studierenden der Fakultät V in der neuen Lehrveranstaltung „Messtechnik und Sensorik“ aktuelle messtechnische Methoden zu vermitteln. Gemäß einer Befragung der Studierenden des Maschinenbaus wurde die bisherige Ausbildung auf dem Gebiet der Elektrotechnik / Elektronik als unbefriedigend empfunden, so dass kaum Interesse bestand, sich mit Grenzgebieten des Maschinenbaus und der Elektrotechnik zu beschäftigen. Als Gründe wurden genannt: fehlende „hands-on“-Praxis in den Übungen / Praktika, mangelnde Vermittlung von Grundlagen, veraltete Übungs- und Lehrinhalte. Schließlich fehlte auch eine Ausbildung in der Messtechnik. Jedoch werden spätestens bei der Bearbeitung der Bachelor- und Masterarbeiten die einschlägigen Fertigkeiten benötigt. Das dann zusätzliche Selbststudium verschlingt wertvolle Zeit und verzögert den Studienabschluss.

Glücklicherweise standen zu diesem Zeitpunkt durch das Projekt „Offensive Wissen durch Lernen“ (OWL) seitens des TU-Präsidiums finanzielle Mittel zur Verfügung, die es uns ermöglichten, eine komplett neue Lehrveranstaltung, d. h. Vorlesungen und Praktika, im Verlauf eines Jahres auszuarbeiten und die erforderlichen Geräte zu beschaffen. Wir planten die Einrichtung von insgesamt 18 Arbeitsplätzen mit zwei Studierenden pro Arbeitsplatz und rechneten mit etwa 200 Teilnehmern, die jeweils im Wintersemester an mehreren Tagen pro Woche praxisorientierte messtechnische Experimente durchführen. Tatsächlich erschienen gleich zu Beginn mehr als 350 Studierende. Gegenwärtig erleben wir etwa 380 Teilnehmer bei dieser Veranstaltung. Da unser Übungsraum bereits bei mehr als 40 Teilnehmern überfüllt ist, finden die Übungen an drei Wochentagen jeweils von 8 bis 20 Uhr statt, wobei je ein/e Assistent/in und ein/e Tutor/in die Übungen betreuen.

Die Messtechnik stellt für die Überwachung, die Steuerung und die Qualitätskontrolle in der Produktion sowie den Betrieb von Maschinen und Anlagen eine Basisdisziplin dar. Für die Planung von Prozessen muss daher die / der Ingenieur/in die Grundlagen des Messens beherrschen, angefangen vom grundsätzlichen Verständnis der naturwissenschaftlichen Prinzipien, die zur Messwertaufnahme dienen, bis hin zu den Feinheiten der EDV-gestützten Überwachung und Automatisierung im Produktionsprozess.

Die Messtechnik war bisher nicht Bestandteil der Ausbildung im Grundstudium des Maschinenbaus. Diese Lücke wurde mit der Veranstaltung „Messtechnik und Sensorik“ geschlossen. Eng gekoppelt an die zweistündige Vorlesung erlangen die Studierenden in den Übungen praxisgerechte Kenntnisse von Messprinzipien und Messmethoden. Durch Demonstrationsversuche wird in den Übungen das Verständnis der physikalischen Prinzipien erarbeitet. Anhand verschiedener Messaufgaben mit vorkonfigurierten Geräten lässt sich somit ein praktischer Vergleich der unterschiedlichen Messverfahren und -techniken, z. B. zur Längen-, Kraft-, Drehmoment-, Druck-, Temperatur- und Beschleunigungsmessung durchführen. Ziel ist es, Fachkompetenz aufzubauen, um bei konkreten Messaufgaben aus der Vielzahl möglicher Lösungen eine problemgerechte Auswahl zu treffen.

Außer der Betrachtung des Preis- / Leistungsverhältnisses oder der Robustheit der möglichen Messprinzipien, liegt der Schwerpunkt auf dem Messen von nichtelektrischen und elektrischen Größen mit elektrischen und optischen Verfahren sowie der elektronischen Weiterverarbeitung der Signale. Wesentlich ist dabei, praktisches Know-how mit modernem Messequipment aufzubauen. Hierzu zählen: Digital- und Speicheroszilloskope, Trägerfrequenzverstärker, Frequenzanalysatoren, Verstärker- und Logikschaltungen, optische Messgeräte sowie die Datenaufnahme und -auswertung mit dem PC.

Im Ergebnis streben wir an, den Studierenden nachhaltige Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik sowie der Messtechnik und Sensorik zu vermitteln. Die Veranstaltungen festigen und vertiefen die von allen Studierenden als notwendig erachteten Kenntnisse klassischer physikalischer Disziplinen und stärken durch anwendungsnahe sowie modern ausgestattete Übungen den geforderten Praxisbezug des Studiums.

An der Konzeption und der Detailgestaltung der Übungen waren alle Assistenten des Fachgebiets sowie eine Reihe Studierender beteiligt. Sie entwickelten im Rahmen ihrer Studien- oder Diplomarbeiten geeignete Demonstratoren und arbeiteten die Unterlagen für die praktischen Übungen aus. Das Ergebnis kann sich sehen lassen: wir haben eine völlig neue Lehrveranstaltung geschaffen, die den Bachelorstudierenden praktische Kenntnisse über die modernen messtechnischen Methoden sowie den richtigen Einsatz von Messinstrumenten vermittelt, so dass wir nach der Einführung und Erprobung dieser Lehrveranstaltung vom Präsidium der TU Berlin das Prädikat „sehr erfolgreich“ verliehen bekamen.

Lehrveranstaltung Elemente der Mechatronik

Nach dem Erfolg der „Messtechnik und Sensorik“, forderten die Studierenden eine weiterführende Veranstaltung für den Masterstudiengang. Ich entschloss mich daher, einen Kurs „Elemente der Mechatronik“ auszuarbeiten, eine zweistündige Vorlesung mit wöchentlichen Übungen. Ziel ist es, das Zusammenwirken der mechanischen, elektrischen und elektronischen Komponenten in technischen Geräten zu analysieren, um bei den Studierenden das Denken in Systemen zu erwirken. Dabei gilt es, die Studierenden anzuleiten, diese Denkweise auf die Produktgestaltung zu übertragen, so dass die Fähigkeit heranreift, innovative Produkte durch die Zusammenführung von Funktionselementen aus unterschiedlichen Disziplinen zu entwickeln. Hierbei ist die synergetische Kopplung mechanischer, elektrischer und informationstechnischer Elemente entscheidend, um den hohen Integrationsgrad zu erreichen, der zur Marktreife und Wettbewerbsfähigkeit eines Erzeugnisses führt. Darüber hinaus lassen sich durch die Einbeziehung von Sensoren, Aktoren, Mikroprozessoren und „intelligenten“ Werkstoffen in den Entwicklungs- und Fertigungsprozess der Aufbau und die Montage eines Produkts vereinfachen. Gleichzeitig sinken die Fertigungskosten, wohingegen die Funktionsvielfalt und die Leistungsfähigkeit steigen, so dass dieses einheitliche Vorgehen bei der Konstruktion entscheidende Ansätze zur Vereinfachung des Aufbaus sowie zur Schonung von Ressourcen und Werkstoffen bietet, und es gelingt die Entwicklung nachhaltiger Produkte. Da der Konstruktionsprozess alle Disziplinen der Ingenieurwissenschaften einbezieht, wird im industriellen Umfeld bei der Entwicklung und Fertigung moderner industrietechnischer Produkte eine übergreifende Ausbildung und Denkweise gefordert. Dies gilt insbesondere für die Medizintechnik, Robotik und Energietechnik sowie für die Antriebs- und Automobiltechnik.

Die Vorlesung vermittelt daher das Know-how zur Aufnahme und Beurteilung des dynamischen Verhaltens mechanischer und elektrotechnischer Komponenten. Hierzu zählen der Einsatz des Frequenzgangs, der Übertragungsfunktion sowie einfacher Testfunktionen zur Beurteilung des dynamischen Verhaltens eines Systems. Durch die Anwendung der Laplace-Transformation lassen sich dann die Zusammenhänge bei der Analyse des dynamischen Verhaltens erkennen und anhand der Bewegungsgleichungen studieren. Damit wird die Basis zur Einführung der Studierenden in die klassischen regelungstechnischen Verfahren geschaffen. 

Die Übungen vermitteln hierzu praktische Kenntnisse, indem zunächst das dynamische Verhalten mechanischer und elektromechanischer Beschleunigungssensoren untersucht wird. Dem schließen sich analytische und experimentelle Untersuchungen elektromechanischer Linearwandler an, um damit eine einfache Positionsregelung eines Linearmotors aufzubauen. Es folgt die Betrachtung verschiedener Kleinmotoren mit der Aufnahme von Kennlinien. Die letzte Übungseinheit nutzt das bisher erworbene Know-how, um zunächst das dynamische Modell eines Kleinmotors im Zustandsraum aufzustellen, um damit einen PID-Regler auszulegen, dessen Wirkungsweise anhand der Variation der Regelparameter und verschiedener Belastungsfälle bei der Regelung eines Gleichstrommotors untersucht wird.

Die Veranstaltung erhielt sofort nach ihrer Einführung viel Zuspruch. Konzipiert war der Kurs zunächst für Maschinenbauer im Masterstudium, um eine Brücke zur Elektro- und Regelungstechnik zu vermitteln. Tatsächlich kommen Studierende aus allen Fachrichtungen der Fakultät V zu uns. Die Vorlesungen und Übungen werden im Sommersemester von über 70 Studierenden verschiedener Masterstudiengänge besucht. Nach Aussage der Studierenden besteht ein sehr großer Bedarf an diesen Lehrinhalten, da sie ein tieferes Verständnis des Verhaltens von Systemen vermitteln und sie für ihr zukünftiges Berufsleben solide und ausbaufähig vorbereiten.

Aktorikprojekt

Bei der Bachelor- und Masterausbildung erhalten die Studierenden nur wenige Möglichkeiten, ihre theoretischen Kenntnisse anhand von praktischen Arbeiten zu erproben. Abhilfe bieten so genannte Projekte, wobei erstmals gezielt Know-how für die Produktentwicklung abgerufen wird. Wichtig ist hierbei insbesondere, dass die Studierenden lernen, die Aufgaben im Team zu bewältigen.

In unserem Aktorikprojekt für Bachelor entwickeln die Studierenden elektromagnetische Linearaktoren, wobei sowohl Lorentzkraft- als auch Reluktanzantriebe mit geringer Energieaufnahme und kompakten Formen gefordert sind. Dabei verfolgen verschiedene Gruppen unterschiedliche Lösungsansätze, welche sie in einer wettbewerbsähnlichen Situation ausarbeiten. Die Festlegung des Konzepts geschieht noch unter dauernder Anleitung. Danach sind konstruktive Lösungen zur Ausführung des magnetischen Kreises gefragt, welche durch 3D-CAD-Modellierung mit dem Programm SolidWorks und die Berechnung der Kräfte mit dem FE-Programm MAXWELL zur Optimierung des Entwurfs führen und erhebliches Engagement der Studierenden fordern.

Die Projektteilnehmer wählen dann geeignete Werkstoffe aus und ermitteln anhand von Recherchen Lieferanten, die weich- und permanentmagnetische Komponenten in geeigneten Abmessungen sowie auch mit entsprechenden magnetischen Kennwerten liefern. Weiterhin fertigt jede Gruppe auf der fachgebietseigenen Spulenwickelmaschine Antriebsspulen. Es folgen der Aufbau funktionsfähiger Aktoren sowie die Messung ihrer statischen und dynamischen Kennwerte. Zum Abschluss des Projekts werden die Resultate allen Mitgliedern des Fachgebiets im Rahmen eines Seminarvortrags vorgestellt und kritisch diskutiert. Außerdem fertigt jede Aktorgruppe einen Schlussbericht an, welcher den Projektablauf festhielt und die Messergebnisse darlegt.

Es ist zu beobachten, dass der Eifer und die Begeisterung der Projektteilnehmer mit zunehmender Dauer der Veranstaltung wachsen und am Projektende eine überwältigende Resonanz vorliegt. Zu Projektbeginn ist es noch schwierig, die Teilnehmer für die Aufgabe zu begeistern. Jedoch engagieren sich die Studierenden in zunehmendem Maße und nutzen die Möglichkeit, frei und kreativ Lösungswege zu finden. Erstmals können sie mit den im Studium erworbenen Kenntnissen ein Produkt entwickeln. Dabei stellt die Inbetriebnahme des Aktors und die Feststellung, dass dieser tatsächlich die berechneten Eigenschaften ausweist, ein überwältigendes Erlebnis dar.

Bei unserem Aktorikprojekt für Master entwickeln die Projektteilnehmer eine Kamera für die Mikromontage. Um das optische System vor Verunreinigungen zu schützen, befinden sich das Objektiv und der Bildaufnehmer in einem Gehäuse. Da die Kamera je nach Objektabstand ein scharfes Bild auf dem Bildaufnehmer liefern soll, wird eine Linse längs der optischen Achse mit Hilfe eines Elektromotors bewegt, der sich außerhalb des Gehäuses befindet. Zur Übertragung der Bewegung des Antriebssystems auf die beweglichen Fokuslinsen innerhalb des Gehäuses ist eine Magnetkupplung erforderlich. Die Abstandsmessung zur Bestimmung des Objektabstands ist in der Kamera integriert. Hierfür ist mindestens ein geeigneter Sensor auszuwählen.

Bei den Projektteilnehmern handelt es sich in diesem Fall um Studierende, die meist kurz vor dem Masterabschluss stehen und daher von vornherein mit enormer Motivation und Interesse die Aufgabe bearbeiten. Da auch hierbei mehrere Gruppen gebildet werden, entsteht ein freundlicher Wettbewerb, bei dem häufig sehr interessante Lösungswege eingeschlagen werden. Das Engagement geht sogar so weit, dass die Projektteilnehmer die Signale des Bildaufnehmers und des Abstandssensors nutzen, um eine Autofokuskamera zu entwickeln. Die Präsentation der Ergebnisse bildet dann den Höhepunkt der Veranstaltung, bei dem die Studierenden mit großem Stolz ihre Autofokuskamera vorstellen und deren Funktion demonstrieren.

Fazit zur Umstellung der Studiengänge

Die TU Berlin startete im Wintersemester 2006 / 2007 mit den Bachelorstudiengängen. Ab 2009 / 2010 folgten die Masterstudiengänge.

Ich wehrte mich lange gegen diese tiefgreifende Änderung des Ingenieurstudiums, da mit der Modularisierung des Lehrangebots und der Einführung des internationalen Punktesystems abzusehen war, dass die Studierenden nur noch die „notwendigen“ Lehrveranstaltungen besuchen werden. Weiterhin bezweifelte ich, dass der Abschluss „Bachelor“ tatsächlich eine Berufsbefähigung vermittelt. Da es aber nicht möglich war, länger dem politischen Druck zu widerstehen, beschloss ich, die Lehrveranstaltungen mit meinen Assistenten bestmöglich auf die neue Form des Studiums umzustellen und mit Blick auf die von der Industrie gewünschte mechatronische Ausrichtung noch mehr Praxisnähe zu unterrichten. Wir bauten daher neue experimentelle Einrichtungen auf, welche in noch stärkerem Maße als bisher mechanische, elektronische und informationstechnische Inhalte verknüpfen, damit die Studierenden eigenständig den Umgang mit Messapparaturen und technischen Geräten erlernen und üben können. Dazu fertigten wir viele begleitende Skripte und Laboranweisungen. Zu den völlig neuen Lehrveranstaltungen erstellte ich die Vorlesungsinhalte, Präsentationsfolien und Vorlesungsskripte.

Trotz gleichzeitiger Fortführung der auslaufenden Diplomstudiengänge bauten wir zeitgenau fünf Bachelor- und fünf Mastermodule auf, die sich inhaltlich und bezüglich des Studienverlaufs zeitlich sinnvoll ergänzen. Diese sind

für das Bachelorstudium:

•    Messtechnik und Sensorik
•    Feinwerktechnik und elektromechanische Systeme
•    Geräteelektronik
•    Engineering Tools / Bachelor
•    Aktorik-Projekt / Bachelor

für das Masterstudium:

•    Elemente der Mechatronik
•    Photonik
•    Digitalelektronik und Mikrocontrollerprogrammierung
•    Engineering Tools / Master
•    Projekt Aktorik und Sensorik / Master

Parallel zu der Umstellung des Studienablaufs akquirierten wir in dieser Zeit eine Reihe großer Forschungsprojekte, so dass mein Fachgebiet personell enorm expandierte. Ich finanzierte 17 vollbeschäftigte wissenschaftliche Mitarbeiter, die ich glücklicherweise auch in der Lehre einsetzen konnte. Dabei ist es vor allem deren Können und Engagement zu danken, dass uns die Umstellung der Lehre relativ reibungslos gelang. Allerdings ist es auch eine beträchtliche logistische Leistung, die vielen Studierenden in kleinen Arbeitsgruppen in dem großen experimentellen Geräteangebot zu unterrichten sowie die erbrachten Studienleistungen verständnisnah und individuell zu prüfen.

Jedes beginnende Semester erfordert eine präzise Vorausplanung des Personaleinsatzes und der Raumbelegung. So sind die Räume des FMT infolge parallel verlaufender Veranstaltungen völlig ausgelastet, obwohl ich zusätzlich für die Grundlagenvorlesung „Messtechnik und Sensorik“ mit 350 Hörer/innen den großen Hörsaal H 104 im Hauptgebäude nutzen muss.

Alle unsere Module wurden von den Studierenden begeistert aufgenommen, so dass wir - auch bedingt durch die noch verbliebenen Diplomstudierenden - im Wintersemester 1.500 und im Sommersemester 1.200 Teilnehmer in allen unseren Vorlesungen, Übungen, Projekten, Seminaren und Kolloquien pro Woche zählen konnten.

Insgesamt stellt sich das Team des FMT tapfer diesen hohen Studierendenzahlen und bietet gleichzeitig eine höchst moderne, stark mechatronisch geprägte Ausbildung an, die für jede/n Ingenieur/in eine solide und zukunftsgerechte Grundlage für sein / ihr Berufsleben bildet.

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